CN108365193A - 锂离子电池正负极浆料的连续生产工艺和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种锂离子电池正负极浆料的连续化生产工艺和设备，涉及将锂离子电池正负极活性物质、导电剂、粘结剂、溶剂及其它助剂连续加入混合设备并均匀混合以制备正负极浆料，其中所述混合设备为双螺杆挤出机，包括两根旋转的螺杆，其中每根螺杆由芯轴和安装于其上的螺纹元件组合而成；包括机筒，机筒也由多节机筒组合而成并具有独立的温度控制系统；根据工艺需要在特定机筒上设置开口进行抽真空和液体注入的操作。

Description

锂离子电池正负极浆料的连续生产工艺和设备
技术领域
本发明涉及锂离子电池的生产，特别涉及一种锂离子电池正负极浆料的连续化生产工艺和设备。
背景技术
锂离子电池具有工作电压高、无记忆效应、放电电压平稳、循环寿命长等优点，因而自问世以来获得广泛应用。锂离子电池的主要应用领域包括消费类电子产品、动力电池和储能三大领域。近来，随着新能源汽车的飞速发展，锂离子电池在电动汽车和混合动力汽车上的需求不断增长，因此对锂离子电池的生产效率和质量提出了更高要求。
锂离子电池正负极浆料的制备为锂离子电池生产的第一道工序，对最终锂离子电池性能的影响达到30％。传统的间歇式浆料生产工艺存在工序多(如图1和图2所示)、制备周期长、生产效率低等缺点，对于锂离子电池的生产效率构成了挑战。
此外，目前传统的间歇式浆料生产工艺采用真空行星搅拌机和动力混合机进行浆料的混合，存在浆料混合不均匀、粉体颗粒与粘结剂接触不均匀、易分层和沉淀、固含量低等问题，对于锂离子电池的质量一致性造成了困扰。
发明内容
根据以上技术问题，针对传统间歇式浆料生产工艺存在的缺点，本发明提出一种锂电池正负极浆料的连续化生产工艺和设备，具体技术方案如下：
一种锂离子电池正极浆料和负极浆料的连续化生产工艺。所述正极浆料的连续化生产工艺为：将正极活性物质、正极导电剂、粘结剂和溶剂(粘结剂和溶剂也可先混合制备成胶液)及其它助剂连续加入双螺杆挤出机中混合均匀制备正极浆料。所述负极浆料的连续化制备工艺为：将负极活性物质、负极导电剂、粘结剂、增稠剂和溶剂(粘结剂、增稠剂和溶剂也可先混合制备成胶液)及其它助剂连续加入双螺杆挤出机中混合均匀制备负极浆料。
优选地，所述正极浆料的连续化生产工艺步骤如下：
步骤一：启动双螺杆挤出机，挤出机的转速为0-500转，挤出机加工温度控制在50摄氏度以下；
步骤二：将正极活性物质、正极导电剂和粘结剂通过失重式计量称定量连续加入双螺杆挤出机第一区或第二区；
步骤三：将溶剂通过失重式计量称定量连续加入双螺杆挤出机中；
步骤四：通过双螺杆挤出机下游的真空系统对浆料进行真空脱泡；
步骤五：将浆料通过双螺杆挤出机模头挤出；
其中步骤二的粘结剂也可与步骤三的溶剂先行制备成胶液后再定量连续加入挤出机下游。
进一步优选地，所述步骤二中的正极活性物质为锰酸锂、钴酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰酸锂中的一种或几种的混合物。
进一步优选地，所述步骤二中的正极导电剂为导电炭黑、超导炭黑、导电石墨、碳纳米管、碳纤维中的一种或几种的混合物。
进一步优选地，所述步骤二中的粘结剂为聚偏氟乙烯。
进一步优选地，所述步骤三中的溶剂为N-甲基吡咯烷酮。
优选地，所述负极浆料的连续化生产工艺步骤如下：
步骤一：启动双螺杆挤出机，挤出机的转速为0-500转，挤出机加工温度控制在50摄氏度以下；
步骤二：将负极活性物质、负极导电剂、增稠剂、粘结剂通过失重式计量称定量连续加入双螺杆挤出机第一区或第二区；
步骤三：将溶剂通过失重式计量称定量连续加入双螺杆挤出机中；
步骤四：通过双螺杆挤出机下游的真空系统对浆料进行真空脱泡；
步骤五：将浆料通过双螺杆挤出机模头挤出；
其中步骤二的增稠剂、粘结剂和溶剂也可先行制备成胶液后再定量连续加入挤出机下游。
进一步优选地，所述步骤二中的负极活性物质为天然石墨、人造石墨、改性石墨、复合石墨中的一种或几种的混合物。
进一步优选地，所述步骤二中的负极导电剂为导电炭黑、超导炭黑、导电石墨、碳纳米管、碳纤维中的一种或几种的混合物。
进一步优选地，所述步骤三中的增稠剂为羧甲基纤维素钠。
进一步优选地，所述步骤三中的粘结剂为丁苯橡胶。
进一步优选地，所述步骤三中的溶剂为去离子水。
进一步优选地，失重式计量称采用双螺杆或单螺杆对正负极活性物质、导电剂、粘结剂、增稠剂和其它粉体助剂进行定量加料。
进一步优选地，失重式计量称采用齿轮泵或柱塞泵对溶剂、胶液和其它液体助剂进行定量加料。
一种锂离子电池正负极浆料连续化生产的双螺杆挤出机，涉及将锂离子电池正负极活性物质、导电剂、粘接剂、溶剂及其它助剂均匀混合以制备正负极浆料，其特征在于，所述双螺杆挤出机，包括两根旋转的螺杆，其中每根螺杆由芯轴和安装于其上的螺纹元件组合而成；包括机筒，机筒由多节机筒组合而成并具有独立的温度控制系统；根据工艺需要在特定机筒上设置开口进行加料、抽真空和液体注入的操作。
优选地，所述双螺杆挤出机的两根螺杆旋转方向相同。
优选地，所述螺纹元件的外径与根径之比为1.55，头数为2头。
优选地，所述螺纹元件的外径为20-95mm。
优选地，所述机筒由多节独立的机筒组合而成。
优选地，所述独立机筒采用电加热棒和水分别进行加热和冷却。
优选地，所述双螺杆挤出机第一区和第二区机筒上方设有开口以便加入锂电池正负极活性物质、导电剂及其它助剂。
优选地，所述双螺杆挤出机还包括安装在机筒上方的嵌块和液体注入装置。
优选地，所述双螺杆挤出机还包括安装在机筒上方的嵌块和真空装置。
优选地，所述双螺杆挤出机还包括安装在机筒侧面的嵌块和侧抽气真空系统。
优选地，所述双螺杆挤出机还包括与最后一节机筒联接的口模。
本发明的锂离子电池正负极浆料双螺杆挤出机连续生产工艺，可以大幅提高生产效率——将浆料的生产时间从常规的8小时降低到一分钟以内。同时，凭借双螺杆挤出机优异的混合能力，可有效分散正负极活性物质，减小其粒径，并使粉体与粘结剂充分接触，避免浆料的分层和沉淀，使得锂离子电池的质量有效提高。同时，该工艺更可有效提高浆料的固含量，有利于后续涂布烘干工序时减小溶剂的蒸发量，使得活性物质、导电剂以及粘结剂之间形成的空隙小，因而有利于增强粘结效果，辊压后各组分颗粒之间的粘结力也得以增强，粘结后的极片不易掉粉，从而大大提高锂离子电池的性能和使用寿命。
附图说明
图1是传统的间歇式锂离子电池正极浆料制备工艺流程图。
图2是传统的间歇式锂离子电池负极浆料制备工艺流程图。
图3是本发明的锂离子电池正极浆料连续生产工艺流程图。
图4是本发明的锂离子电池负极浆料连续生产工艺流程图。
图5是本发明的锂离子电池正负极浆料双螺杆机挤出机连续生产示意图。
图6是螺杆旋转方向和外径、根径的示意图。
图7是螺纹元件安装在芯轴上的示意图。
图8是单头、双头、三头和四头螺纹元件的示意图。
图9是螺纹元件键槽形式的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施实例对本发明进行详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
参见图3和图5所示，锂离子电池正极浆料的连续化生产工艺如下：
步骤一：启动双螺杆挤出机，挤出机的转速设定为0-500转，挤出机各区机筒温度设定在30摄氏度以下；
步骤二：依据锂离子电池正极浆料的配方，将正极活性物质、正极导电剂和粘结剂通过失重式计量称1、2和3定量连续加入双螺杆挤出机第一区的机筒中，通过挤出机的剪切作用对加入的物料进行混合；
步骤三：依据锂离子电池正极浆料的配方，将溶剂通过失重式计量称4和5定量连续加入挤出机第四区和第六区的机筒中，通过挤出机的剪切作用将溶剂与步骤二加入的物料混合均匀制备浆料，并通过调整溶剂的加入量来控制浆料的固含量；
步骤四：通过挤出机第八区机筒处的真空系统对浆料进行真空脱泡；
步骤五：将浆料通过挤出机模头挤出；
其中步骤二的粘结剂也可与步骤三的溶剂先行制备成胶液后再通过失重式计量称4或5定量连续加入挤出机中。
所述步骤二中的正极活性物质为锰酸锂、钴酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰酸锂中的一种或几种的混合物；所述步骤二中的正极导电剂为导电炭黑、超导炭黑、导电石墨、碳纳米管、碳纤维中的一种或几种的混合物；所述步骤二中的粘结剂为聚偏氟乙烯；所述步骤三中的溶剂为N-甲基吡咯烷酮。
参见图4和图5所示，锂离子电池负极浆料的连续化生产工艺如下：
步骤一：启动双螺杆挤出机，挤出机的转速设定为0-500转，挤出机各区机筒温度设定在30摄氏度以下；
步骤二：依据锂离子电池负极浆料的配方，将负极活性物质、负极导电剂、增稠剂、粘结剂通过失重式计量称1、2和3定量连续加入双螺杆挤出机第一区的机筒中，并通过挤出机的剪切作用对加入的物料进行混合；
步骤三：依据锂离子电池负极浆料的配方，将溶剂通过失重式计量称4和5定量连续加入挤出机第四区和第六区的机筒中，通过挤出机的剪切作用将溶剂与步骤二加入的物料混合均匀制备浆料，并通过调整溶剂的加入量来控制浆料的固含量；
步骤四：通过挤出机第八区机筒处的真空系统对浆料进行真空脱泡；
步骤五：将浆料通过挤出机模头挤出；
其中步骤二的增稠剂、粘结剂和溶剂也可先行制备成胶液后再再通过失重式计量称4或5定量连续加入挤出机下游。
所述步骤二中的负极活性物质为天然石墨、人造石墨、改性石墨、复合石墨中的一种或几种的混合物；所述步骤二中的负极导电剂为导电炭黑、超导炭黑、导电石墨、碳纳米管、碳纤维中的一种或几种的混合物；所述步骤二中的增稠剂为羧甲基纤维素钠；所述步骤二中的粘结剂为丁苯橡胶；所述步骤三中的溶剂为去离子水。
本发明中，双螺杆挤出机的电机通电后旋转，然后将动力通过齿轮箱输送至螺杆芯轴，带动螺杆旋转。螺杆的螺纹元件将第一区失重式计量称加入的粉体原料向前连续输送。在螺纹元件施加的剪切应力作用下，物料不断混合并继续向前输送。之后液体注入装置将失重式计量称加入的溶剂或胶液在一定压力作用下注入机筒，然后再通过螺纹元件的混合作用将溶剂或胶液与粉体材料混合均匀形成浆料。浆料料到达真空装置处时，一些小分子和水分在真空系统产生的真空作用下被从浆料中脱除，完成浆料的真空脱泡。之后在螺纹元件建立的压力作用下，挤出机将浆料料从口模中挤出，然后进行其它后续工序处理。
如图5所示，本实施例中的机筒分为独立的十区，长径比为40。每区均采用电加热棒加热并通水进行冷却，从而精确控制机筒温度，避免过高温度对浆料的质量造成不利影响。
如图5所示，本实施例中的液体注入装置安装于挤出机第四区和第六区机筒上方，通过该装置将失重式计量称定量输送的溶剂或胶液注入挤出机中。
如图5所示，本实施例中的真空装置安装于挤出机第八区机筒上方并联接真空泵，真空系统运行后可有效对浆料进行脱泡，进而确保最终产品的质量。
如图6所示，本实施例中的两根螺杆同向旋转，螺纹元件为双头螺纹元件，螺纹元件外径与根径之比为1.55。
本发明不受上述实施方式的限制，其它任何未背离本发明的精神实质与原理下的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (17)

1.一种锂离子电池正负极浆料的连续化生产工艺，其特征在于，正极浆料和负极浆料的连续化生产。所述正极浆料的连续化生产工艺为：将正极活性物质、正极导电剂、粘结剂和溶剂(粘结剂和溶剂也可先混合制备成胶液)及其它助剂连续加入双螺杆挤出机中混合均匀制备正极浆料。所述负极浆料的连续化制备工艺为：将负极活性物质、负极导电剂、粘结剂、增稠剂和溶剂(粘结剂、增稠剂和溶剂也可先混合制备成胶液)及其它助剂连续加入双螺杆挤出机中混合均匀制备负极浆料。
2.如权利要求1所述的锂离子电池正极浆料的连续化生产工艺，其特征在于，所述正极浆料的连续化生产工艺步骤如下：
步骤一：启动双螺杆挤出机，挤出机的转速为0-1000转，挤出机加工温度控制在100摄氏度以下；
步骤二：将正极活性物质、正极导电剂和粘结剂通过计量加料装置定量连续加入双螺杆挤出机第一区或第二区；
步骤三：将溶剂通过计量加料装置定量连续加入双螺杆挤出机中；
步骤四：通过双螺杆挤出机下游的真空系统对浆料进行真空脱泡；
步骤五：将浆料通过双螺杆挤出机模头挤出；
其中步骤二的粘结剂也可与步骤三的溶剂先行制备成胶液后再定量连续加入双螺杆挤出机中。
3.如权利要求2所述的锂离子电池正极浆料的连续化生产工艺，其特征在于，所述步骤二中的正极活性物质为锰酸锂、钴酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰酸锂中的一种或几种的混合物；所述步骤二中的正极导电剂为导电炭黑、超导炭黑、导电石墨、碳纳米管、碳纤维中的一种或几种的混合物；所述步骤二中的粘结剂为聚偏氟乙烯；所述步骤三中的溶剂为N-甲基吡咯烷酮。
4.如权利要求1所述的锂离子电池负极浆料的连续化生产工艺，其特征在于，所述负极浆料的连续化生产工艺步骤如下：
步骤一：启动双螺杆挤出机，挤出机的转速为0-1000转，挤出机加工温度控制在100摄氏度以下；
步骤二：将负极活性物质、负极导电剂、增稠剂、粘结剂通过计量加料装置定量连续加入双螺杆挤出机第一区或第二区；
步骤三：将溶剂通过计量加料装置定量连续加入双螺杆挤出机中；
步骤四：通过双螺杆挤出机下游的真空系统对浆料进行真空脱泡；
步骤五：将浆料通过双螺杆挤出机模头挤出；
其中步骤二的增稠剂、粘结剂和溶剂也可先行制备成胶液后再定量连续加入双螺杆挤出机中。
5.如权利要求4所述的锂离子电池负极浆料的连续化生产工艺，其特征在于，所述步骤二中的负极活性物质为天然石墨、人造石墨、改性石墨、复合石墨中的一种或几种的混合物；所述步骤二中的负极导电剂为导电炭黑、超导炭黑、导电石墨、碳纳米管、碳纤维中的一种或几种的混合物；所述步骤二中的增稠剂为羧甲基纤维素钠；所述步骤二中的粘结剂为丁苯橡胶；所述步骤三中的溶剂为去离子水。
6.一种锂离子电池正负极浆料连续化生产的双螺杆挤出机，涉及将锂离子电池正负极活性物质、导电剂、粘接剂、溶剂及其它助剂均匀混合以制备正负极浆料，其特征在于，所述双螺杆挤出机，包括两根旋转的螺杆，其中每根螺杆由芯轴和安装于其上的螺纹元件组合而成；包括机筒，整个机筒由多节机筒组合而成并具有独立的温度控制系统；根据工艺需要在特定机筒上设置开口进行加料、抽真空和液体注入的操作。
7.如权利要求6所述的双螺杆挤出机，其特征在于，两根螺杆的旋转方向既可以相同，也可以相反；螺杆的直径为20-150mm，螺杆的长径比为30-75。
8.如权利要求6或7所述的双螺杆挤出机，其特征在于，螺杆由芯轴和螺纹元件组合而成，其中螺纹元件安装在芯轴上。
9.如权利要求6或8所述的螺纹元件，其特征在于，螺纹元件的外径和根径之比的范围为1.4-1.8；螺纹元件为单头、双头、三头或四头螺纹元件；螺纹元件上加工有键槽以与芯轴的花键键合，达到芯轴带动螺纹元件旋转之目的。
10.如权利要求9所述的螺纹元件的键槽，可以是单键、双键、六方键和渐开线等形式的。
11.如权利要求6所述的双螺杆挤出机，其特征在于，所述机筒由多节独立的机筒(即图5中所示的十区)组合而成并具有独立的温度控制系统。
12.如权利要求6或11所述的机筒，其特征在于，各区机筒均采用电加热棒进行加热和通水进行冷却，以达到独立控制温度之目的。
13.如权利要求6、11或12所述的机筒，其特征在于，机筒正上方设有开口与计量加料装置联接，以加入正负极活性物质、导电剂、粘接剂及其它助剂。
14.如权利要求6、11或12所述的机筒，其特征在于，机筒正上方设有开口并配备相应的嵌块和液体注入装置，以加入溶剂和其它助剂。
15.如权利要求6、11或12所述的机筒，其特征在于，机筒正上方或侧面设有开口并配备相应的嵌块和真空装置，以进行抽真空操作，对浆料进行真空脱泡。
16.如权利要求15所述的侧面开口的机筒，其特征在于，机筒连接相应的嵌块和侧抽气真空装置，以进行抽真空操作，对浆料进行真空脱泡。
17.如权利要2、4、13所述的计量加料装置，其特征在于，所述的计量加料装置为失重式计量称，对物料的变化进行闭环控制，确保定量输送物料。
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